(57)【要約】  ヘッドアップディスプレイで使用するための光導波路デバイスである。導波路デバイスは、二次元の瞳拡張を提供する。導波路デバイスは、主導波路と二次的な導波路とを備え、二次的な導波路は、主導波路の面上に配置される。二次的な導波路は、主導波路に接する面と反対側の面上に回折格子を有する。回折格子は、１よりも多くの回折次数に光を回折する。ゼロでない次数に回折された光線は、全内部反射によって二次的導波路内に捕らえられる。
2019523908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドアップディスプレイのための光導波路であって、
前記光導波路は、二次元の瞳拡張を提供するように構成され、
入力端と出力端を有する主導波路と、
前記入力端と前記出力端との間の主導波路の面上に位置付けられた二次的な導波路であって、主導波路と二次的な導波路との間に境界面があり、主導波路の屈折率が、二次的な導波路の屈折率よりも小さい、二次的な導波路と、
二次的な導波路の面上の主回折格子であって、その面は、主導波路との境界面に平行で反対側にある、主回折格子と、を備える、光導波路。
【請求項２】
さらに、前記主導波路と前記二次的な導波路との間に光学的なコーティングを備える、請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
主回折格子の複数の線は、前記光導波路の前記入力端から前記出力端までの軸と平行である、請求項１または請求項２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記主回折格子は、入射する光の少なくとも一部を、前記入力端から前記出力端までの軸とほぼ直交する方向に回折する、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項５】
さらに、入力部を備え、
前記主導波路の、および、前記二次的な導波路の導波路と空気との境界面における内部全反射によって案内されるように、前記入力部が、光を前記主導波路内に結合するよう構成される、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項６】
さらに、前記光導波路の前記出力端における出力部を備え、
前記出力部は、主導波路において伝播する光を、前記光導波路から外に、前記光導波路の出力瞳に向けるように構成される、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項７】
前記入力部は、内部全反射によって光を反射する前記主導波路の面を備え、
前記出力部は、前記入力部を形成する前記主導波路の面に平行な面で部分的に反射するミラーを備える請求項５および請求項６のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項８】
前記出力部は、複数の部分的に反射するミラーを備え、
各ミラーは、前記入力部を形成する前記主導波路の前記面に平行な面にある、請求項７に記載の光導波路。
【請求項９】
前記入力部は入力回折格子を備え、
前記出力部は出力回折格子を備える、請求項５および請求項６のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１０】
前記主回折格子は、少なくとも零次と一次の回折次数に入射光を回折し、
前記境界面は、前記零次の回折の光が前記境界面を通り抜ける一方で、前記一次の回折に回折された光が前記境界面において内部全反射によって反射されるように構成される、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１１】
前記主回折格子は、少なくとも、零次、および、２つの一次の回折次数に入射光を回折し、
前記２つの一次の回折は、前記入力端から前記出力端までの軸に対して反対の横方向に、前記二次的な導波路を横切り、
前記境界面は、前記零次の回折次数の光が前記境界面を通り抜ける一方で、前記一次の回折次数に回折された光が前記境界面において内部全反射によって反射されるように構成される、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１２】
前記主回折格子は、少なくとも、零次、２つの一次、三次の回折次数に入射光を回折し、
前記境界面は、前記零次の回折次数の光が前記境界面を通り抜ける一方で、前記一次と三次の回折次数に回折された光が前記境界面において内部全反射によって反射されるように構成される、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１３】
フリンジプロファイルが、堆積された材料の間の距離が堆積された前記材料の幅と実質的に同じである、実質的に矩形であるように、前記主回折格子が、前記二次的な導波路上に堆積された材料から作られる、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１４】
前記主回折格子は、
フリンジプロファイルが、堆積された材料の間の距離が、堆積された前記材料の幅とは実質的に異なる、実質的に矩形であるように、前記主回折格子が、前記二次的な導波路上に堆積された材料から作られる、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１５】
前記主回折格子は、各層が、異なる幅、材料の間の異なる間隙を有するように、複数の層に堆積された材料から作られ、
前記層のそれより下の前記層への整列は、前記層のプロファイルの中心を、それより下の前記層のプロファイルの中心に対してオフセットする、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項記載の光導波路。
【請求項１６】
前記主回折格子は、フォトレジストとして前記二次的な導波路上に堆積された材料から作られ、露光の手段によりフリンジプロファイルに加工される、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１７】
前記主回折格子のフリンジプロファイルの深さは、回折される次数における光の量を変化させるために、前記主回折格子の開口部にわたって変化する、請求項１ないし請求項１６のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１８】
前記二次的な導波路における光路は、全てではない回折された光線が、内部全反射によって捕らえられるように、前記二次的な導波路の帯域幅が増加されるように設計され、捕らえられない回折された当該光線が、前記光線が射出瞳から外れるような角度で前記光導波路を出るように構成される、請求項１ないし請求項１７のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１９】
前記主導波路および前記二次的な導波路の間の境界面は、内部全反射されない光線のために当該境界面の反射を増大させるコーティングで被覆される、請求項１８に記載の光導波路。 
【請求項２０】
前記主回折格子に入射する光の全てではないが大半が、一次の回折次数の１つに回折されるように、前記主回折格子のフリンジプロファイルが、ほぼ、溝の断面を鋸歯の形状にされる、請求項１ないし請求項１２、および、請求項１５ないし請求項１７のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項２１】
前記主回折格子に入射する光の全てではないが大半が、零次の回折次数と前記一次の回折次数の１つの組み合わせに回折されるように、前記主回折格子のフリンジプロファイルが、ほぼ、溝の断面を鋸歯の形状にされる、請求項２０に記載の光導波路。
【請求項２２】
前記二次的な導波路内を伝播する光線のための境界面の臨界角は、約５５．２５度である、請求項１ないし請求項２１のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項２３】
前記主導波路の屈折率は、約１．５２である、請求項１ないし請求項２２のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項２４】
前記二次的な導波路の屈折率は、約１．８５である、請求項１ないし請求項２３のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項２５】
前記境界面が部分的な反射性をもつ、請求項１ないし請求項２４のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項２６】
前記主回折格子は、溝の断面形状が鋸歯の形状であるブレーズド格子ではない、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項２７】
前記主回折格子が、ひとつより多くの回折次数に光を回折するように構成される、請求項１ないし請求項２６のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項２８】
前記主回折格子は、バイナリ回折格子、対称三角形格子、正弦格子、第１の面と第２の面がお互いに垂直である、前記第１の面または前記第２の面の中に全ての面を有する格子から選択される、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項２９】
前記主回折格子は、フォトリソグラフィを用いて形成される、請求項１ないし請求項２８のいずれか一項に記載の光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光導波路に関連し、限定するものではないが、特に、ヘッドアップディスプレイのための光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドアップディスプレイは、周囲のユーザの実際の眺望の上に画像を重畳するために、ユーザがそれを通して見る、透明なコンポーネントを利用する。ユーザの眼は、通常の方法でそれら環境からの光を受け取り、また、ユーザの眼は、ヘッドアップディスプレイシステムからの光も受け取る。従って、ヘッドアップディスプレイからの画像は、実際の環境の上に重畳される。
【０００３】
ヘッドアップディスプレイの透明なコンポーネントは、ユーザによって使用されている機器（例えば、航空機のコックピット）上の固定の位置に搭載されるか、そのコンポーネントがユーザの頭と共に動き、ユーザの眼に対して固定の場所にあり続けるように、ユーザの頭の上（例えば、一対の眼鏡として、または、ヘルメット上）に搭載されるかのいずれかであってよい。
【０００４】
ヘッドアップディスプレイの基本的な要件は、画像源からユーザが視認のために必要とされる場所に光を結合することである。これは、図１において断面で模式的に示されるような導波路システムを利用して達成されることができる。
【０００５】
導波路本体１０は、必要とされる波長の光を伝播する、光学的に透過性のある材料から形成される。導波路１０は、導波路内に光ビームを捕らえる平行な面を有するガラスまたは他の光学的に透過性のある材料である。
【０００６】
導波路の中に光ビームを注入するために、導波路内で光ビームを伝播するために、および／または、導波路から外に光ビームを投影するために回折と反射をする面を利用する導波路は、プリズム状導波路（prismatic waveguide）として一般的に知られている。これらの機能のために回折格子を用いる導波路は、ホログラフィック導波路（holographic waveguide）として一般的に知られる。図１は、プリズム導波路の一例である。
【０００７】
プリズム状導波路の場合には、投影機１１が、入力光学系１２と入力結合デバイス１３を介して、導波路１０の中に画像を射出する。入力光学系１２は、入力結合デバイス１３の入力瞳上に、射出された画像を分配するように構成される。当該瞳の近視野（near-field of pupil）は瞳をわたる光の分配を表し、他方、遠視野は画像情報を表す。ユーザに表示される画像（遠視野）は、無限遠と呼ばれる眼から長い距離に焦点を合わせられることが望ましい。導波路システムは、入力瞳と出力瞳（それを通して画像が見られる）との間で光線方向を維持するように構成され、従って、入力光学系１２は、入力瞳において、無限遠で画像（遠視野）を焦点が合うように構成される。従って、入力瞳において、画像の各画素は、入力瞳にわたって分配される平行光の束で表される。画像の各ピクセルは、固有の角度における光束によって表される。ユーザの網膜上に焦点が合わされると、無限遠に焦点が合わされた眼のレンズによって、射出された画像が再現される。
【０００８】
明確化のために、導波路システムを通って伝播する光線は、１つの光線１４で表されるが、理解されるように、これは、各光束が異なる角度で伝播する、領域にわたって分配された、いくつかの平行光線の束を表す。
【０００９】
入力結合デバイス１３は、導波路本体１０の中に光線１４を結合する。光線は、導波路１０の中への光線１４の透過または反射を可能にする角度で、入力結合デバイス１３に入る。光線が、上面と底面における内部全反射によって導波路１０に捕らえられるように、光線は、入力結合デバイス１３により、屈折され、または、反射され、または、それらのプロセスの組み合わせをされる。出力結合デバイス１５は、その元の角度に戻るように光を屈折し、光線は導波路を出る。出力結合デバイス１５は、入力デバイス１３によってもたらされる、導波路内の光線１４の角度の色に依存する変動を相殺し、補償するように構成される。
【００１０】
入力におけるように、出力光は、出射瞳にわたって分配される。最適な性能のために、導波路システムは、入力瞳と出力瞳の間の光の遠視野（光線角度）を維持し、近視野と呼ばれる、出力瞳にわたる強度の均一な分配を提供するべきである。
【００１１】
図１のデバイスは、入力結合デバイスと出力結合デバイスのために屈折プリズムを利用するが、これは一例に過ぎない。理解されるように、任意の好適なデバイスが利用され得る。例えば、図２は、入力結合デバイスと出力結合デバイスを与えるために、回折格子２０、２１が利用される導波路システムを示す。任意の入力および出力結合構造が利用され得るが、両デバイスは、遠視野を維持するために釣り合っていなければならない。例えば、光の異なる波長は、入力結合デバイス１５／２１を通り抜ける間に発散し得るが、その発散は、出力結合デバイス１５／２１において補正されなければならない。デバイス１３、１５、２０、２１は、透過性のあるコンポーネントとして示されるが、同じタイプの反射コンポーネントも利用されることができる。
【００１２】
ユーザの眼のデバイスとのアライメントの自由度を可能にするために、射出瞳は大きくあるべきである。例えば、直径１２ｍｍより大きい射出瞳が好ましい。
【００１３】
しかし、射出瞳は、眼の場所に配置されなければならず、従って、導波路から、および、入力光学系１２から遠くに離れている、その特定の領域と交差するように配置される光線によって照明されなければならない。さらに、射出瞳は、遠視野の全体によって照明されなければならない。導波路なしでこれを達成するために、入力光学系１２からの光路は、遠視野内の全ての角度から、射出瞳の領域の大部分を照明しなければならない。従って、入力光学系１２は射出瞳からいくらかの距離だけ離れているから、入力光学系１２は非常に大きく、重くなければならないと考えられる。
【００１４】
光線が射出瞳上に投射されるまで、導波路は、入力光学系１２からの光線を変換するために利用されることができる。光路は、射出瞳と交差することができる複数の経路に分割される。これは、過度に遠視野を変えることなく達成される。
【００１５】
本発明は、類似しているが、設計面で異なるトレードオフを有する導波路の設計に適用されることができる。いくつかの導波路は、入力瞳の複数の複製を介して大きな射出瞳、典型的には直径３０ｍｍ（ミリメートル）、を生成するように設計される。これは、観察者の眼が、導波路に整列されるためにより少なく制約される場合に、デバイスを使用可能とする。他の導波路は、より少ない瞳複製をもって設計され、より小さい射出瞳とより明るい表示であるが、使用するにはより困難な導波路につながる。導波路から脱する迷光経路が不可視であるように、観察者の眼に届かないよう構成されるために、他の導波路は小さな射出瞳を有し、観察者の眼は制約される。
【００１６】
従って、導波路システムは、出力瞳が入力瞳よりも大きくなるように、近視野を拡張するように設計されることができる。この拡張は、一般的に、瞳複製として知られる。これは、光ビームの遠視野を損なうことなく（即ち、光線の方向が維持される）、近視野の大きさを増大させるために、光ビームを一部分のみが重なる多くの成分に分割することによって達成される。瞳拡張は、近視野にわたって光の輝度を乱すことなく達成されるべきである。近視野をわたる輝度のばらつきは、ユーザの眼が出力瞳を横切って移動するのに伴う画像の明るさの変化として現れる。
【００１７】
この拡張は、導波路１０において、または、導波路１０の面上で、回折性または半反射構造を利用して達成されることができる。図１の例では、半反射面１６が、導波路１０の表面に半反射面１６は、導波路を貫いて与えられる。半反射面は、光を、主光線１７ａと、一部のみ示された第２の光線１７との二つの方向に分割する。光線１７は、光線１７ａについて記載されるのと同じ方法で出力瞳に伝播されるが、図１の図におけるオフセットがある。半反射面１６が５０％の反射率を有するならば、それぞれの光線１７ａと１７は、等しい出力の光である。
【００１８】
反射および屈折構造を用いて必要とされる光学的な性能を達成することは、これらのメカニズムが、ユーザに可視である画像における瞳での縞模様（pupil banding）につながる光の不均一な近視野分布を与える、瞳の照明における急峻な境界を生成するので、困難であり得る。
【００１９】
図２の例では、回折格子２０は、光を回折次数にそらす。その回折は、回折される光の波長に依存する導波路内での異なる光線角度で生じる。光線角度の結果として生じる分散は、その光線の角度が光の波長により強く影響される、広く分散した遠視野の原因となる。
【００２０】
光線角度は、遠視野の光パターンを規定し、ディスプレイシステムにおける画像担持情報を含む。
【００２１】
格子２１は、導波路内で広く分散された色が再結合されるように、格子２０と反対の効果を有するように構成される。従って、遠視野の情報コンテンツは、最小の残留する色依存分散をもって再構成される。
【００２２】
導波路内で、光線１７と１７Ａによってとられる経路は、異なる波長に対して実質的に異なり、従って、ぼやけた境界をもった近視野を再構成する。従って、この点で、ホログラフィック導波路はプリズム状導波路より好ましい。しかし、導波路内の光の広い分散は、どれくらいの色が導波路を介して送られることができるか、または、光線の角度におけるどれくらいの変化が導波路を介して送られることができるかについての制限の原因となる。波長範囲の光線角度との積は、一般的に帯域幅と呼ばれる。この点で、プリズム状導波路は、ホログラフィック導波路より好ましいと言うことができる。
【００２３】
図２の例では、半反射面２２は、光線経路１４を複数の経路１７と１７ａに分割し、従って、入力光学系１２の瞳の複製および拡張を可能にために使用される。
【００２４】
半反射面１６と２２は、２片の材料から導波路１０を形成することによって与えられることができる。半反射面は、１片の材料上に形成され、図１および図２に示されるように、それら２片が得られる導波路の内部にあるように、それら２片が共に接合される。代わりに、回折格子が、導波路の外面上に設けられてもよい。ビームは内部全反射によって捕らえられるが、ビームの場は、回折に導く表面上の格子と相互作用する。回折された１つの光線（次数）が図２に示されるが、複数の次数の回折が、それぞれ、異なる角度で生成されることができる。
【００２５】
図２に示された設計は、回折格子２０および２１を除去することによって、および、部分的に透過し部分的に反射する回折格子に半反射面２２を変更することによって変更されることができる。この構成では、回折され、その波長に応じて多くの方向に拡散される一部の光が、拡散する初期の波長が補償され、情報を担持するフル画像が復元されるように回折し直されることができるよう、格子特性が構成され得る。復元された光は、導波路を出て、眼を横断することができる光線の角度を有することになる。格子の作用もまた、補償されないが、材料の臨界角より大きい角度をもった方向に進むように配置され、従って、内部全反射により導波路１０内に捕らえられるであろう幾分かの光を導波路内に残す。
【００２６】
回折格子により回折次数の各々に分割される光エネルギーの割合は、回折効率と呼ばれる。合理的な回折効率を達成するため、および、望まれない回折次数に関連付けられるゴースト光線経路を減少させるために、回折格子のフリンジは、格子に鋸歯の形状のプロファイルを与えて、通常、三角形の断面に近似するプロファイルをもつ形状にされる。このような格子は、一般的に、ブレーズド（鋸歯の形状にされた）格子として知られる。適切な回折格子のピッチは、典型的に、ブレーズド格子が必要な性能で組み立てることが困難であり、かつ高価である規模である、約０．５ミクロンである。
【００２７】
設計者が、光の大部分を１つの次数に回折するように企図するので、ブレーズド格子は高価になりがちである。この条件を緩和することにより、格子は、より安価でより高品質にされることができる。ブレーズド格子の代替は、フリンジプロファイルが正方形または長方形の形状をとる方形波格子である。これらは、１つより多くの次数に光を回折する。この説明では、そのフリンジプロファイルが基板上に堆積される材料の略長方形の断面によって形成される回折格子を記述するために、「方形波（square wave）」格子の用語を用いる。それらは、１つより多くの方向に光を回折するために設計されている共通の特徴を有し、形状において、略長方形の形状にされた材料、または、異なる形状の複数の層が互いの上部に堆積されたもの、および、複合形状がブレーズドプロファイルに近似するように始まるものに拡張されることができる。他のフォトリソグラフィ法が、正弦関数、または、正弦関数の組み合わせのような形状にされるプロファイルの選択を拡張することができる。ブレーズド格子への共通の違いは、１つより多くの次数への意図的な回折が導波路の設計に組み込まれていることである。２次元で瞳を複製することが望まれる。しかし、図１及び図２を参照して上述された機構は、（その頁に垂直な軸ではなく、頁の横方向に）１次元で瞳を複製するのみである。従って、入力瞳は、図１及び図２を含む平面に対して直角である、複製されない方向の射出瞳の大きさでなければならない。第２の垂直方向の複製は、相互に角度をつけて配置された複数の回折格子を用いるホログラフィック導波路で達成することができる。そのような格子を形成することは困難かつ高価である。
【００２８】
本発明の態様は、２つの導波路コンポーネントが、各々は実質的に１次元であるが、瞳複製が２次元で生じるように、それらが実質的に直交する方向に配向されるように、共に接着されることである。結果は、１次元導波路のようなコンパクトであるが、瞳を２次元に拡張する導波路である。
【００２９】
導波路設計上のさらなる制約は、導波路内の光線の角度の範囲が、以下の３つの条件の間にあるように制限されることである：１）光線の角度は、光が導波路内に収容されるように、ＴＩＲ（内部全反射）を発揮するのに十分に大きくなければならない。２）ホログラフィック導波路の場合には、光線の角度は、回折をサポートするのに十分に小さくなければならない。３）プリズム状導波路の場合には、光線の角度は、導波路内で複数回反射するのに十分に小さくなければならない。
【００３０】
角度の範囲は、２）または３）に記載された光線の角度の大きさの上限と、１）に記載された光線の角度にたいする上限との間の差である。この角度の範囲は、導波路材料の屈折率により乗じられた場合、導波管の帯域幅に寄与する。また、帯域幅は、上記１）と２）における角度の制限が遠視野にわたる色描写における変動を引き起こすような、光の波長に依存する値の範囲にわたって光線の角度を広げることにおける回折格子の作用によって制限される。従って、帯域幅は、視野を境界内に位置するように制限するのに役立つが、これらの境界内の角度変化の幅は、近視野と遠視野の許容可能な品質に部分的に依存する。
【００３１】
従って、瞳複製を提供するための導波路システムへの要求がある。
【００３２】
以下に説明する実施形態は、既知のシステムの課題のいくつかまたは全てを解決する実装に限定されるものではない。
【発明の概要】
【００３３】
この概要は、詳細な説明において以下にさらに説明される概念の内の選ばれたものを簡略化された形式で紹介するために提供される。この概要は、特許請求の範囲に記載された主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定することは意図しておらず、特許請求の範囲に記載された主題の範囲を決定する際の助けとして使用されることを意図してもいない。
【００３４】
ヘッドアップディスプレイのための光導波路を提供するものであって、光導波路は、二次元での瞳拡張を提供するように構成され、導波路は、入力端と出力端を有する主導波路と、入力端と出力端との間で主導波路の面上に位置づけられた二次的な導波路と、二次的な導波路の面上の主回折格子とを備え、主導波路と二次的な導波路との間に境界面があり、主導波路の屈折率は二次的な導波路の屈折率より低く、二次的な導波路の面は、主導波路との境界面に平行で向き合う。
【００３５】
係る光導波路は、さらに、主導波路と二次的な導波路との間に光学的なコーティングを備える。
【００３６】
主回折格子のラインは、導波路の入力端から出力端への軸と平行であってよい。
【００３７】
主回折格子は、入射光の少なくとも一部を、入力端から出力端への軸線に略直交する方向にそらしてもよい。
【００３８】
係る光導波路は、さらに入力部を備えてもよく、入力部は、光が、主導波路の導波路／空気境界面と二次的な導波路の導波路／空気境界面における内部全反射によって光が案内されるように、光を主導波路に結合するように構成される。
【００３９】
係る導波路は、さらに、導波路の出力端において出力部を備えてもよく、出力部は、当該導波路から出て主導波路に伝播する光を光導波路の出力瞳に向けるように構成される。
【００４０】
入力部は、内部全反射によって光を反射する主導波路の面を備えてもよく、出力部は、入力部を形成する主導波路の面に平行な面である面内に部分的に反射するミラーを備える。
【００４１】
出力部は、部分的に反射する複数のミラーを備えてもよく、各ミラーは、入力部を形成する主導波路の面に平行な面内にある。
【００４２】
入力部は、入力回折格子を備えてもよく、出力部は、出力回折格子を備える。
【００４３】
主回折格子は、入射光を、少なくとも零次と一次の回折次数に回折してもよく、境界面は、一次の回折次数に回折された光が境界面において内部全反射によって反射されるが、零次の回折次数の光が境界面を通過するように構成される。
【００４４】
主回折格子は、入射光を、少なくとも零次と２つの一次の回折次数に回折してもよく、２つの一次の回折次数は、入力端から出力端への軸に関して反対向きの長手方向に二次的な導波路を横断し、境界面は、一次の回折次数に回折された光が境界面において内部全反射によって反射されるが、零次の回折次数の光が境界面を通過するように構成される。
【００４５】
主回折格子は、入射光を、少なくとも零次、２つの一次、三次の回折次数に回折することができ、境界面は、一次と三次の回折次数に回折された光が境界面での内部全反射によって反射されるが、零次の回折次数の光が境界面を通過するように構成される。
【００４６】
堆積された材料間の距離が堆積された材料の幅と実質的に同じであり、フリンジプロファイルが略矩形であるように、主回折格子が二次的な導波路上に置かれた材料から作られてもよい。
【００４７】
堆積された材料間の距離が堆積された材料の幅とは実質的に異なっており、フリンジのプロファイルが略矩形であるように、主回折格子が二次的な導波路の上に堆積された材料から作られてもよい。
【００４８】
各層が材料間で異なる幅、異なる間隙を有するように、主回折格子が複数の層に堆積された材料から作られてもよく、下にある層に対する層のアライメントは、下にある層のプロファイルの中心に対してその層のプロファイルの中心をオフセットさせてもよい。
【００４９】
主回折格子は、フォトレジストとして二次的な導波路上に堆積され、光に曝すことによりフリンジプロファイルに加工される材料から作られてもよい。
【００５０】
主回折格子のフリンジプロファイルの深さは、回折次数における光の量を変化させるために、主回折格子の開口部を横断して変化させてもよい。
【００５１】
二次的な導波路内の光路は、二次的な導波路の帯域幅が増加するよう、必ずしも全ての回折光が内部全反射によって捕らえられないように設計され、捕らえられない回折された光線が射出瞳から外れるような角度で、捕らえられない回折された光線が導波路を出るように構成されてもよい。
【００５２】
主導波路と二次的な導波路との間の境界面は、内部で全反射されない光線のための当該境界面の反射を増大させるコーティングで被覆されてもよい。
【００５３】
主回折格子に入射する光の全てではないが大半が一次の回折次数のひとつに回折されるように、主回折格子のフリンジプロファイルが鋸歯の形状（ブレーズ化）に近い形状にされてもよい。
【００５４】
主回折格子に入射する光の全てではないが大半が零次の次数および一次の回折次数のひとつに回折されるように、主回折格子のフリンジプロファイルが鋸歯の形状（ブレーズ化）に近い形状にされてもよい。
【００５５】
二次的な導波路内を伝播する光線のための境界面の臨界角は、約５５．２５度であってよい。
【００５６】
主導波路の屈折率は、約１．５２であってよい。
【００５７】
二次的な導波路の屈折率は、約１．８５であってよい。
【００５８】
境界面は、部分的な反射性をもってもよい。
【００５９】
主回折格子は、ブレーズ格子でなくてもよい。
【００６０】
主回折格子は、１つより多い回折次数に光を回折するように構成されてもよい。
【００６１】
回折格子は、バイナリ格子、対称な三角形格子、正弦波格子、第１または第２の平面内に全ての面を有し、第１と第２の平面が互いに垂直である格子から選択されてもよい。
【００６２】
格子は、フォトリソグラフィを用いて形成されてもよい。
【００６３】
本明細書において提供される開示は、他の導波路設計よりも小型で軽量であるが、迷光経路を生成しない導波路を提供することができる。
【００６４】
本発明の実施形態は、以下の図面を参照して、例として、説明される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、プリズム状導波路構造の断面図を示す。
【図２】図２は、ホログラフィック導波路構造の断面図を示す。
【図３（ａ）】図３（ａ）は、二重導波路構造の断面図を示す。
【図３（ｂ）】図３（ｂ）は、二重導波路構造の平面図を示す。
【図４】図４は、回折過程を説明する数学的表現の図を示す。
【図５】図５は、コーティングされない境界面を介した伝達のチャートを示す。
【図６】図６は、コーティングを施された境界面を介した伝達のチャートを示す。
【図７】図７は、コーティングを施された境界面を介した伝達のチャートを示す。
【図８】図８は、コーティングを施された境界面を介した伝達のチャートを示す。
【図９】図９は、コーティングを施された境界面を介した伝達のチャートを示す。
【詳細な説明】
【００６６】
本発明のさらなる詳細、態様、および、実施形態は、ここで、図面を参照し、単なる例として説明される。図中の要素は、簡略化と明確化のために図示されており、必ずしも縮尺通りに描かれていない。同様の参照符号が、理解を容易にするために、それぞれの図面に含まれている。
【００６７】
プリズム状導波路において単純な方形波回折格子を利用するヘッドアップディスプレイのための導波路について、図３（ａ）はその模式的な断面図、図３（ｂ）はその模式的な平面図を示す。
【００６８】
プロジェクタ３００は、導波路の入射瞳２０１に画像を投影するように構成される。上述したように、入射瞳において、遠視野は、長い距離、効果的には無限遠に焦点を合わせられる。一例では、入射瞳は、図２における頁に垂直に長い寸法をもって、８ミリメートル（ｍｍ）×１２ミリメートル（ｍｍ）である。視野は、３０度×２０度である。先に記載されたように、単一の光線３０２が例示の目的で用いられる。
【００６９】
図１と図２に記載された入力結合デバイスは、光が内部全反射によって下側の面で導波路の中に捕らえられるように、導波路３０３の形状端部、特に、ミラーコーティングによって光を反射する面３０３によって与えられる。
【００７０】
図３に示された形状端部は、導波路３０４の一体のコンポーネントとして形成されてもよいし、導波路３０４に接合される別個のコンポーネントであってもよい。
【００７１】
半反射面３０６が、主導波路３０４の中を伝播する光を外のアイボックス（eye box）に向けるために、主導波路の中に設けられる。半反射面３０６は、また、外界の景色と投影された画像とを重ね合わせる。半反射面３０６は、光線のアラインメントが入力瞳と出力瞳の間に維持されるように、入力結合デバイス３０３の反射面と平行に配置される。一例では、半反射面３０６と入力結合デバイスの上側の面は、主導波路の上側と下側の面に対して２４度の角度に配置されてもよい。
【００７２】
半反射面３０６は、別個のコンポーネントとして面３０６の両側に主導波路の部分を形成し、適当なコーティングを施し、コンポーネント同士を共に接合することによって与えられてもよい。半反射面は、伝播する光をデバイスから外に結合すると共に、外界からの光が導波路を通ってユーザの眼に伝播することを可能にする。
【００７３】
例では、主導波路３０４は、概して低い屈折率、例えば、約１．５２、を有したガラス（例えば、Ｎ−ＢＫ７ガラス）で形成されてもよい。主導波路の屈折率は、設計上の選択であり、多くの要因に依存する。
【００７４】
主導波路よりも高い屈折率のガラス（例えば、約１．８５の屈折率を有するＮ−ＳＦ５７）で形成される二次的な導波路３０８は、主導波路３０４の上側の面上に設けられる。主導波路３０４と二次的な導波路３０８との間の境界面３０９は、主導波路３０４から二次的な導波路３０８に、最小限の反射（例えば、１０％より低い）をもって光を透過するように設計される。境界面は、約１．５２の屈折率を有する、低い屈折率の材料と光学セメントで形成されてもよい。主および／または二次的な導波路の面は、境界面の反射特性を変更するためにコーティングされることができる。
【００７５】
二次的な導波路３０８は、頂部３１０と底部３０９の面／境界面における内部全反射によって光線を捕らえる。上記されるように、二次的な導波路３０８は、主導波路よりも高い屈折率を有し、それによって当該境界面の臨界角よりも大きな角度の光線のために、境界面３０９における内部全反射を可能にする。この前記内部全反射は、光が格子３１９において回折された後に発生する。
【００７６】
様々な態様のコーティングが面３０９に適用される。モデルは、コーティングにかかわらず、この面が、二次的な導波路の中で伝播する適当な波長の光のために、境界面について５５．２５度の臨界角、頂面について３２°の臨界角を与える。
【００７７】
格子構造３１９は、二次的な導波路３０８の頂面３１０上に形成される。一例では、格子構造は、単一のフリンジ深さが、高屈折率材料、例えば二酸化チタン、で形成された、方形波プロファイル（即ち、堆積された材料の幅が、堆積された材料の各領域間の間隔と同じである）バイナリ格子として、当該技術分野で通常説明される。フリンジのプロファイルは、矩形であってよい。例示の格子設計では、ミクロンあたり０．８ラインを利用する。二酸化チタンは、Ｎ−ＳＦ５７における電磁界がフリンジの中に伝播する電界と磁界を設定し、光エネルギーの回折に影響を与えるように、Ｎ−ＳＦ５７よりも高い屈折率を有することの利点を有する。このような場（field）の計算は複雑であるが、利用可能なソフトウェアを使用して、当該技術分野の開始における合理的な技量を有する者によって達成されてもよい。
【００７８】
方形波格子構造は、対称的な格子プロファイルの一例である。そのようなプロファイルタイプは、方形波に加えて他の形状を組み込み、例えば、格子は、矩形プロファイル、または、互いの上に重ね合わされた矩形の組を有してもよい。このような対称構造は、例えば、フォトリソグラフィ技術を利用して、形成することがより容易であってもよい。バイナリ格子という用語は、格子が材料の単一の厚さのみをもって形成される格子を指すために使用される。
【００７９】
格子構造３１９は、面３０９の平面上で、図３の上図（ａ）の平面に平行な線で形成される。これは、図３の下図（ｂ）に模式的に示される。図３において３１５（ａ）と３１５（ｂ）によって、および、大きな角度で示されるように、光は横向きに回折される。以下に詳細に説明されるように、この横向きの回折は、導波路を横切る瞳複製を提供する。
【００８０】
格子は、堆積、パターン形成、フォトレジスト除去、そして、その後、露出した導波路面を１／４波長の厚みに二酸化チタンでコーティングすることにより、従来のフォトリソグラフィ技術を用いて面の上に形成されることができる。次いで、残りのフォトレジストや浮遊材料が、二酸化チタンの格子を残して除去される。二酸化チタンの一層のみが使用される単純な場合では、材料の厚さのばらつきは、＋１、−１、０次に回折される流れ（flux）における分布の変動を生む。
【００８１】
主導波路３０４の側部３１１、３１８、３２０と二次的な導波路３０８は、主導波路内に捕らえられる何らかの迷光またはゴースト光を吸収するために、吸収性コーティングで被覆されてもよい。
【００８２】
使用時には、入力光は、入力瞳３０３に入り、入力結合部材３０３の上側の面から主導波路３０４の中に反射され、光線３２０を形成する。光は、主導波路の下側の面３０５から内部全反射によって反射される。
【００８３】
光線が境界面に出会うと、光の大半３１２は面３０９を透過して二次的な導波路３０８の中に入るが、小さな部分３１３は境界面によって反射され、導波路３０４の中に継続する。反射される光と透過する光の比は、境界面３０９におけるコーティングとセメントよって決められる。例示の設計では、光の９０％が二次的な導波路３０８の中に伝播する。光線３１２が境界面３０９を横切ると、光線３１２は屈折され、従って、二次的な導波路３０８内での伝播角度は主導波路３０４における伝播角度とは異なる。以下で説明されるように、屈折は光線が主導波路３０４に再入射すると逆転され、従って、主導波路３０４内の光線方向は維持される。
【００８４】
光線３１２は、二次的な導波路３０８の外側の面に伝播する。その面において、光が、回折次数と呼ばれる複数の方向に光を回折する格子３１９と相互作用する。零次は、全内部反射によって引き起こされるであろう方向と同じ方向に回折される。格子フリンジの深さと間隔を変えることによって、様々な次数における光の量を変えることができる。本明細書の記載されるデバイスにおいて、図３において３１５（ａ）および３１５（ｂ）により示される、入射光線の両側での回折が導波路において使用される。従って、格子を製造するより安価でより信頼性の高い方法が用いられ得る。
【００８５】
角度が、回折が存在しない状態で導波路を介して光を投影するために、角度がどのように用いられるかを理解するために、次の表は、図３の上図（ａ）における紙の面内に含まれる光線の角度を記載する。
【００８６】
下のデータは、導波路３０４について１．５２（例えば、Ｎ−ＢＫ７）、導波路３０８について１．８５（例えば、Ｎ−ＳＦ５７）の屈折率を有する単色光源を想定する。他の波長と対応する屈折率は、回折がこの分析に含まれないので、同じ角度を広く提供する。
【００８７】
【表１】
2019523908.tif 000003
【００８８】
上記の「光線角度」の用語は、本技術分野において周知である定義で、ガラスの内側から、図３において３０５、３０９、および、３１９の符号が付されている部分の外側の面への「入射の角度（Angle of Incidence）」をいう。
【００８９】
そのようにして、上側と下側の光線の間の範囲は、２０２０度の垂直視野を投影する。上側の光線の光線角度は、内部全反射を経験するのに十分なだけ大きい。境界３０９における５５．２５度の臨界角は、導波路３０８のガラスの内側から来る光をいい、臨界角は約５５．２５度であるので、全ての光線が臨界角の中に十分にはいり、内部全反射は、光が格子３１９で回折されない限り、内部全反射は起こらない。
【００９０】
格子３１９における回折なしに、光線３０２は、３０１において導波路の中に広く伝達される。３０３による反射は、内部全反射によって導波路内に光線を捕らえるために、その角度を変化させる。境界面３０９において、光線は、ほとんど３０８内に送られ、３１９から内部で全反射される。境界面３０９において、光線は、ほとんどが３０４に送り戻される。光線が３０６から反射する場合、光線がほとんど３０９において導波路を出て、射出瞳３０７と交差するように、光線の角度が変えられる。本発明は、境界面３０９と再度交差するときに光線角度を増加させる、格子３１９における回折プロセスを追加する。
【００９１】
従って、格子３１９における回折プロセスは、二次的な導波路が、内部全反射によって光を捕らえること、および、図３（ａ）の図の平面に垂直な方向に瞳を複製することを可能にする。
【００９２】
上の表に示される例では、主導波路３０４に入射する角度の範囲は、４１．４４度と５４．５６度の間である。二次的な導波路３０８では、その範囲は、３２．９４度から４２．０２度までである。空気に対する主導波路３０４の内部全反射の条件は、この角度以上の光が１００％まで反射されるように、４１．１４度であり、空気に対する二次的な導波路３１７のための内部全反射の角度は、３２．５８度であり、主導波路３０４に対する二次的な導波路のための内部全反射の角度は、５５．２５度である。
【００９３】
光３１２の格子３１９との相互作用は、１つまたはそれより多くの回折次数への回折の結果となる。上述のように、回折効率は、格子設計に依存するが、典型的には、光のほとんどが零次と＋／−１次に回折される。
【００９４】
零次の回折の方向３１４は、格子による影響を受けず、光線は、３２．９４度から４２．０２度までの範囲における同じ入射角で、通常の内部全反射に従って面から反射する。上述のように、境界面３０９は５５．２５度の臨界角を有し、従って、光線３１４は、主導波路３０４の中に伝播する。光線が境界面３０９と交差すると、光線はその元の伝播方向に戻すように屈折され、従って、遠視野は歪まない。図３にみられるように、光線の組み合わせが当該方向での若干の瞳複製を提供するように、光線３１４は、若干量（図３の縮尺によって誇張される）を与える（境界面３０９により反射された）光線３１３からわずかにオフセットされる。
【００９５】
光は、また、格子３１９から、光線方向に対して横向きの成分と、入射光線と比較して低減された垂直成分（図３（ａ）の図において）とを有する、＋／−１次３１５（ａ）と（ｂ）に回折される。
【００９６】
図４は、格子４００と相互作用する入射光線ｅの図を示す。回折された光線はｅ’である。ｅとｅ’は、入射する光線と回折された光線についての単位ベクトルであり、ｐは回折格子に垂直の単位ベクトルであり、ｑは（Μλ／ｄ）のスカラの大きさで乗算される格子線に平行な単位ベクトルであり、ｒは、格子４００の面内における、格子線に垂直な単位ベクトルである。
【００９７】
光線ｅとｅ’についてのベクトル方程式は、以下のように記述されることができる：
【００９８】
【数１】
2019523908.tif 000004
【００９９】
以下は、記号ｎやｎ’が回折前後の屈折率を表すなど、当技術において妥当な技量をもった者が理解するであろう用語を使用して、格子３１９における回折の計算を説明する。項（Μλ／ｄ）は、フリンジ間隔ｄによって除せられた光の波長λを乗じた回折次数Ｍである。説明は、主導波路３０４と二次的な導波路３０８を介して光の経路を変えるように、光線角度がどのように変化するかを説明するのに役立つ。
【０１００】
計算は、対応する方向余弦（ｋ，Ｌ，Ｍ）とともに（ｘ、ｙ、ｚ）直交座標を用いる従来の方法で行われる。単位ベクトル（ｉ，ｊ，ｋ）は、（ｘ，ｙ，ｚ）軸に平行である。代数を簡略化するために、ｐは値（Ｏｉ＋Ｏｊ＋ｋ）＝（ｋ）をもち、ｑはｘ軸に平行である。
【０１０１】
ｐとのクロス積（ベクトル積）が（ｌｅ，−ｋｅ，０）であるように、ｅは方向余弦（ｋｅ，ｌｅ，ｍｅ）をもつ。従って、ベクトル ｅ’Ｘ ｐは、値（Ｍλ／ｄ＋ｌｅ，−ｋｅ，０）をもつ。従って、ｍｅ’がｅ’を単位ベクトルにするために計算され、回折プロセスによる光線の伝達よりも、むしろ反射を表すために負である場合、ベクトルｅ’は、成分（ｋｅ，ｌｅ＋Ｍλ／ｄ，−１．ｍｅ’）をもつ。
【０１０２】
ｍｅとｍｅ’の値は、上の表において光線角度とも呼ばれる、入射の角度の余弦を記述する。従って、ｍｅまたはｍｅ’の絶対値がある値より小さい場合、内部全反射が、二次的な導波路３０８と主導波路３０４との境界３０９において起こる。
【０１０３】
格子３１９における上記された座標系を導波路の全体に適用して述べることである、図３の光線にこの専門用語を適用して、１つの光線は、以下の表に示されるように記述されることができる。
【０１０４】
【表２】
2019523908.tif 000005
【０１０５】
ここで、「ａ」は、光線３０２が反射される入力面の角度であり、Ｍは、回折次数であり、ｎ３０４は、主導波路の屈折率であり、ｎ３０８は、二次的な導波路の屈折率である。ｍ３５１についての式における負の符号は、光線３１５が格子３１９で効果的に反射され、光線３１２に対してほぼ反対方向に伝播するという事実を記述し、これは、反射回折（reflective diffraction）を説明するための当該技術分野における従来の数学的方法である。
【０１０６】
従って、格子との相互作用の効果は、図２における光線３１５で表されるように、垂直（ｚ）成分（図３（ａ）に図示される）が低減され、横向きの成分（図３（ｂ）に表される）が加えられることである。図３（ｂ）に見ることができるように、横向きの成分が相当量あり、光線が、入力端から出力端までの軸と略直交する方向に外される。２つの光線３１５（ａ）および３１５（ｂ）は、＋と−の回折次数により存在する。図３は、１つの回折次数（＋／−１）のみを示すが、いくらかの光は、また、量は少なく、従って詳細に議論される必要はないが、より高い次数に回折され得る。図３（ｂ）では、「斑点」記号は、境界面３０９との相互作用を表し、「十字」記号は、外側の面と格子３１９との相互作用を表す。線の形式は、図３（ａ）の線の形式に対応する。
【０１０７】
従って、回折の結果として、光線３１５は、境界面３０９との入射の増加された角度を有する。例では、一次の回折は、境界面３０９に対して、５２．２５度の臨界角よりも大きい入射の角度を有し、従って、光線は、内部全反射によって反射され、二次的な導波路の中に捕らえられる。光線３１５が主導波路３０４の中に伝播されることを許されており、出力においてアイボックス３０７に射出されたとすると、その光線はそれぞれの画素について他の光線と平行にはならないので、遠視野画像を劣化させたことになる。
【０１０８】
光線３１５は、位置３１６において格子に戻るように伝播し、再び格子３１９と相互作用する。上述したのと同じプロセスがこの相互作用において起こる。
【０１０９】
上記の式を参照すると、格子３１９を出る光線３１５は、以下の方向余弦をもつ：
【０１１０】
【数２】
2019523908.tif 000006
【０１１１】
これは光線に平行な単位ベクトルの成分である。境界面３０９において起こる光線３１５の反射は、二回目に格子３１９と相互作用する光線が以下の方向余弦をもつように、方向余弦の符号を正の値に戻すように変える：
【０１１２】
【数３】
2019523908.tif 000007
【０１１３】
そして、垂直な面とのクロス積は以下の成分をもつ：
【０１１４】
【数４】
2019523908.tif 000008
【０１１５】
新たな回折が、格子３１９において、−Ｍ次に起こる場合には、クロス積は、以下の成分の追加を介したプロセスによって修正される：
【０１１６】
【数５】
2019523908.tif 000009
【０１１７】
従って、新たな光線は、以下の成分をもつ単位ベクトルｐとのクロス積をもつ：
【０１１８】
【数６】
2019523908.tif 000010
【０１１９】
それは、以下の成分をもつ光線を記述する単位ベクトルに対応する：
【０１２０】
【数７】
2019523908.tif 000011
【０１２１】
従って、−Ｍ次への第２の回折プロセスは、元の光線３１２の角度だが、回折格子３１９との元の交点からずれた位置で再構成される。再構成された光線は、図３における項目３５０として示される。瞳複製が導波路の中に設計されることを可能にして、光路３１５および３５０に回折される光エネルギーの相対的な量を変化させるために、フリンジプロファイルの形状、線間隔、および、フリンジの深さの格子特性が変えられることができる。
【０１２２】
一部の光は、零次に回折され、光線の方向が光線３１５と同じなので、二次的な導波路のなかに捕らえられ続ける。また、光は＋／−１次に回折されるであろうから、その一方は元の光線３１２に揃えられる。従って、回折された光線３５０は、光線３１２の方向に戻され、５５．２５度より小さい入射の角度を有し、従って、境界面３０９を通って主導波路３０４の中に戻るように伝播することができる。光線が境界面を横切るので、境界面３０９における以前の屈折は逆転され、従って、主導波路３０４における光線は元の光線３１３に整列され、遠視野画像を維持する。しかし、光線は横方向に（図３（ａ）の平面に垂直に）移動されており、従って、瞳をｙ方向に複製する。
【０１２３】
境界面３０９との引き続く相互作用が本明細書において前述したように進むが、明瞭化のために、主導波路に捕らえられた光線の部分だけが示される。従って、射出瞳３０７は、回折プロセスにより横方向に拡張されている。長手方向の瞳拡張は、主に、より多くの光を反射するために面３０９をコーティングすることによって達成されるなど、半反射面の組み合わせによって、および、複数の端部部材３０６の追加を介して半反射面３０６を複数の面に分割することによって、与えられる。
【０１２４】
光線３１３、３１４、３１７は、部分的に反射する面３０６により、アイボックス３０７まで外に反射される。上で説明されたように、主導波路の中の光線方向は、入力プリズム３０３における最初の反射の後は維持され、面３０６は入力プリズムの反射面に平行であり、従って、面３０６からの反射の後は平行である。従って、プロジェクタ３００によって投影される画像がアイボックス３０７において再現されるが、上述したプロセスにより横方向と長手向に拡張される。
【０１２５】
部分的に反射する面３０６を通過する光の一部は、主導波路における内部全反射によって捕らえられたままであり、最終的に導波路のコーティングされた面によって吸収される。
【０１２６】
主導波路と二次的な導波路とのコーティングは、光の必要とされる部分を二次的な導波路の中に結合するのに役立つ。上記テキストに記載されているように、この部分は、それが内部全反射を受けない限り、通常、ほとんどが透過される。コーティングは、また、図３の上図の平面に実質的に平行な瞳複製を増加させるために、一部分を反射するようにされてもよい。
【０１２７】
境界面３０９上のコーティングは、おおよそ、約５０％が透過され、約５０％が反射されるように光を分割するために選択されてもよく、より多くの流れ（flux）を他の光線経路に入れ、より多くの長手方向の瞳複製を与える。コーティングの設計は、また、境界面３０９における臨界角のちょうど下の光線角度での反射の低下が低減されるようであってもよく、二次的な導波路３０８の中に捕らえられる光線角度の範囲の増大を可能にする。
【０１２８】
境界面３０９におけるコーティングの簡単な例が、図５、６、７、８、および、９に示される。それぞれの場合において、主導波路３０４をコーティングが施された二次的な導波路３０８に接着するために用いられる接着剤は、コーティング性能の計算において無視されることができるように、主導波路３０４のガラス（例えば、Ｎ−ＢＫ７）と一致する屈折率であると仮定される。
【０１２９】
図５は、３つの波長（０．６３５μｍ（マイクロメートル）（赤色光）、０．５２５μｍ（緑色光）、および、０．４８μｍ（青色光））について、コーティングされていない境界面３０９の角度に対する透過を示す。角度は、横軸にプロットされ、二次的な導波路３０８の内部から境界面３０９と交差する光線の入射の角度のことをいう。トレースＰはｐ偏光についてのものであり、Ｓはｓ偏光についてのものであり、Ａは２つの偏光の平均である。
【０１３０】
主導波路３０４を通して画像を投影するために必要とされる角度の範囲が目印線４０１と４０２によって示される。回折格子３１９は、入射の角度の範囲を、臨界角４０３よりも大きいところに増大させる。目印線４０１と４０２の間の角度の範囲が、良好な効率と少ない偏光依存性をもって透過されること；  緑、赤、青の波長間でほとんど変動がないこと；  臨界角が内部全反射にはっきりとした遷移を与えること、において、コーティングされていない面は良好に働く。
【０１３１】
境界面を銀の薄い層でコーティングすることの効果が図６に示される。３つのチャートと専門用語は、図５に関連して説明されたチャートに対応する。これは、上述された５０％の透過と５０％の反射に近い。コーティングは、導波路が少しの相互作用だけを有する多くの設計とって許容可能である、主導波路３０４の中での角度の範囲にわたって２％−４％を吸収する。コーティングは、およそ６０度の角度で１０％まで吸収し、境界面が内部的な全反射をするように作用し、エバネッセント波がコーティング内に生成される場合、コーティングは、二次的な導波路３０８内の横方向のわずかな瞳複製を有して働くのみであることができる。しかし、コーティングは、Ｎ−ＢＫ７側から境界面３０９と相互作用している主導波路３０４の中により多くの流れが反射されるという利点を有し、従って、より大きな長手方向の瞳複製が照らされる。
【０１３２】
図６における曲線ｐとｓ間の差によって示されるように、コーティングは偏光しているが、それは、他の実質的に偏光させるデバイスが光学系内に存在しないことを条件として、顕著な影響を引き起こさない。部分的に偏光格子を含むことホログラフィック導波路が通常一部偏光する格子を含むことにおいて、当該技術分野ではこれが一般的であることに留意すべきである。
【０１３３】
図７は、銀と主導波路３０４との間の誘電体層の追加によって強化されている、わずかに複雑な銀コーティングの透過を示す。３つのチャートと専門用語は、吸収を示す追加のチャートを有して、図５に関連して説明されたチャートに対応する。これは、臨界角より上で１０％より少ない平均吸収率を維持しながら、偏光間の差を減少させるのに役立つ。
【０１３４】
偏光透過における差が、いささか良好な偏光安定性を示す、図７にある。吸収は、図７上で、Ｓ偏光４０７、Ｐ偏光４０８、および、平均吸収４０９について示される。
【０１３５】
このコーティングのための処方は、１波長が０．５２５ミクロンである場合、以下の表に与えられる。
【０１３６】
【表３】
2019523908.tif 000012
【０１３７】
臨界角のちょうど下で強化された反射を有するコーティングの例が、図８に示される。３つのチャートと専門用語は、図５に関連して説明されたチャートに対応する。コーティングは、フッ化マグネシウムの１波長の厚さの層を備える。これは誘電体材料であるので、反射係数は、（１−透過係数）である。従って、図８における態様４１０は、二次的な導波路３０８の中に捕らえられることが意図された光についての臨界角のちょうど下での反射損失の低減を示す。
【０１３８】
図５、図６、および、図７と比較して、臨界角における透過の変化は、二次的な導波路３０８内を伝播されることができる角度の有効範囲が数度だけ増加されるように、もはや急峻な態様ではない。いくつかの相互作用があることを前提に、および、迷光が観察者の眼を外れるように設計されることを前提にして、結果として生じる損失は適当である。
【０１３９】
より複雑なコーティングが、下の表と図９とに示される。このコーティングは、ＴＩＲ（全反射）領域が、図９の態様４１０によって示されるように、（Ｎ−ＳＦ５７ガラスにおける）入射の角度が約４６度にさらに下にどのように拡張され得るかを示す。回折されず、再構成されない光は、図９の線４０１と４０２の間の入射の角度を有するように設計される。このコーティングは、図８で説明されたコーティングによるＴＩＲ条件の拡張が不十分である場合に有用になる。コーティングは、そうでなければ主導波路３０４内の迷光の経路に漏れたであろう光線を捕らえることによって、二次的な導波路３０８の帯域幅を効果的に増大する。それは、輝度の幾分かの重大でない損失が、依然として視野の隅で生じるであろうが、３０掛ける２０度の視野の瞳を複製するために、上述のように０．８ミクロンのピッチの格子３１９と共に、優先的に使用される。
【０１４０】
このコーティングのための処方が、１波長が０．５２５ミクロンの場合に、以下の表に与えられる。
【０１４１】
【表４】
2019523908.tif 000013
【０１４２】
境界面３０９のためにどのようなコーティングが選択されようと、主導波路３０４の側から境界面３０９と交差する画像からのいかなる反射も、主導波路３０４の中に戻るように反射され、さらなる瞳複製に再利用される。
【０１４３】
格子３１９における回折の作用は、光線が内部全反射によって二次的な導波路３０８の中に捕らえられるように、境界面３０９における光線角度を変えることである。それらの角度についての捕らえられる光線のジオメトリは、フリンジ深さ、フリンジプロファイル、および、フリンジ間隔などの格子３１９の細部を調整することによって調整されることができる。
【０１４４】
このような調整は、一般的に、近視野と遠視野の均一性を改善するように設計を変更してもよい。そのようにしてもたらされるトレードオフは、一部が臨界角以下で境界面３０９と交差するように、より小さな回折光線の角度を低減することによって向上されることができる。この場合には、いくらかの回折光は、主導波路３０４に漏れる。これは、半反射面３０６からの反射の後、光線が射出瞳３０７からはずれ、観察者によって見られることができないように、主導波路のジオメトリと格子３１９の細部を設計することによって許容可能に構成されることができる。
【０１４５】
本明細書において前述された構成は、二次的な導波路の中により高い次数に回折された光線が捕らえることにより、より低価格の格子の使用を可能にする。瞳の横方向の拡張は、光が格子３１９において二方向に回折される、バイナリ格子構造を用いて達成される。
【０１４６】
従って、より安価な大量生産された格子が、上で説明されたように製造することが困難であるブレーズド格子の代わりに、瞳複製を拡張するために使用されることができる。図３の上図の平面の方向の瞳拡張を増大させるために、複数の一部分を反射する面３０６（全てが互いに平行）が利用されることができる。
【０１４７】
上の説明は、方形波バイナリ格子に関連してなされたが、その原理は、反対方向の１より多くの次数（ここでは＋／−１の次数）に回折する任意の格子設計に対し、同様に適用する。例えば、正弦波または対称な三角形の格子が利用されてもよい。そのような格子も、依然、必要とされる鋸歯パターンが正確に製造するのに困難であると評判の悪い、一方向ブレーズド回折格子よりも、実質的に製造が容易である。
【０１４８】
製造方法の例としては、フォトリソグラフィが積層内の１つの層より多くを生成するために使用される、複数の層を有する格子を含む。各層は、格子に照射する光の位相変化を生じさせるプロファイルによって特徴づけられ、そのプロファイルは、繰り返しパターンで構成される。フリンジ間隔は、プロファイルがその形状を繰り返す距離である。当該形状内には、一般的に、どんな材料も堆積されない領域と、材料を有する他の領域がある。フォトリソグラフィ技術は、一般に、堆積された材料を有する領域にわたって等しい堆積厚さを生じさせる。堆積された幅が、堆積された材料のない幅と同じである場合、「方形波格子」の用語が、概括的に、格子の細部を記述する。しかし、この用語は、また、堆積された材料が、空いた領域とは異なる幅である矩形プロファイルをも効果的に記述する。追加の構造は、お互いの上に複数の格子を堆積することによって作られることができ、その中では、堆積された材料の幅は、層が異なると変わり、必須ではないが、一般的に、より多くの層が追加されるほど幅が減少する。この方法は、ブレーズド格子を近似的に堆積するために、完全な効果を有してはいないが、使用されることができる。従って、フォトリソグラフィ方法によって製造される格子は、光のかなりの量が反対方向に回折されるように、１よりも大きな次数への回折を示す。
【０１４９】
正弦波の深さプロファイルと同様な格子プロファイルは、ホログラフィック方法によって作られた干渉パターンをもつ感光性の層を露光することによって製造されることができ、感光性の層は光への曝露に応答する変数を有するように選択される。
【０１５０】
本発明は、いくつかの実施形態に関連して説明されているが、本明細書に記載された特定の形態に限定されることは意図されない。むしろ、本発明の範囲は、添付される特許請求の範囲によってのみ限定される。加えて、特徴が特定の実施形態に関連して説明されるように見えるかもしれないが、当該技術に技量を有する者は、説明された実施形態の様々な特徴が本発明に従って組み合わされてよいことを認識するであろう。特許請求の範囲において、「備える（comprising）」という用語は、他の要素またはステップの存在を排除しない。
【０１５１】
さらに、請求項における特徴の順序は、それらの特徴が実行されなければならない特定の順序を暗示するものではなく、特に、方法の請求項における個々のステップの順序は、それらステップがこの順序で実行されなければならないことを暗示しない。むしろ、ステップは任意の適切な順序で実行されてよい。加えて、単数形の参照は複数を除外しない。従って、「ａ」、「ａｎ」、「第１の」、「第２の」等への言及は、複数を排除しない。特許請求の範囲において、用語「備える（comprising）」または「含む（including）」の用語は、他の要素の存在を除外しない。
【図１】
2019523908.tif 000014
【図２】
2019523908.tif 000015
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年2月1日(2019.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドアップディスプレイのための光導波路であって、
前記光導波路は、二次元の瞳拡張を提供するように構成され、
入力端と出力端を有する主導波路と、
前記入力端と前記出力端との間の主導波路の面上に位置付けられた二次的な導波路であって、主導波路と二次的な導波路との間に境界面があり、主導波路の屈折率が、二次的な導波路の屈折率よりも小さい、二次的な導波路と、
二次的な導波路の面上の主回折格子であって、その面は、主導波路との境界面に平行で反対側にある、主回折格子と、を備える、光導波路。
【請求項２】
さらに、前記主導波路と前記二次的な導波路との間に光学的なコーティングを備える、請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
主回折格子の複数の線は、前記光導波路の前記入力端から前記出力端までの軸と平行である、請求項１または請求項２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記主回折格子は、入射する光の少なくとも一部を、前記入力端から前記出力端までの軸とほぼ直交する方向に回折する、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項５】
前記主回折格子は、少なくとも零次と一次の回折次数に入射光を回折し、
前記境界面は、前記零次の回折の光が前記境界面を通り抜ける一方で、前記一次の回折に回折された光が前記境界面において内部全反射によって反射されるように構成される、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項６】
前記主回折格子は、少なくとも、零次、および、２つの一次の回折次数に入射光を回折し、
前記２つの一次の回折は、前記入力端から前記出力端までの軸に対して反対の横方向に、前記二次的な導波路を横切り、
前記境界面は、前記零次の回折次数の光が前記境界面を通り抜ける一方で、前記一次の回折次数に回折された光が前記境界面において内部全反射によって反射されるように構成される、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項７】
前記主回折格子は、少なくとも、零次、２つの一次、三次の回折次数に入射光を回折し、
前記境界面は、前記零次の回折次数の光が前記境界面を通り抜ける一方で、前記一次と三次の回折次数に回折された光が前記境界面において内部全反射によって反射されるように構成される、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項８】
前記主回折格子のフリンジプロファイルの深さは、回折される次数における光の量を変化させるために、前記主回折格子の開口部にわたって変化する、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項９】
前記二次的な導波路における光路は、全てではない回折された光線が、内部全反射によって捕らえられるように、前記二次的な導波路の帯域幅が増加されるように設計され、捕らえられない回折された当該光線が、前記光線が射出瞳から外れるような角度で前記光導波路を出るように構成される、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１０】
前記主回折格子に入射する光の全てではないが大半が、一次の回折次数の１つと零次の回折次数に回折されるように、前記主回折格子のフリンジプロファイルが、ほぼ、溝の断面を鋸歯の形状にされる、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１１】
前記境界面が部分的な反射性をもつ、請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１２】
前記主回折格子が、ひとつより多くの回折次数に光を回折するように構成される、請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の光導波路。
【請求項１３】
前記主回折格子は、バイナリ回折格子、対称三角形格子、正弦格子、第１の面と第２の面がお互いに垂直である、前記第１の面または前記第２の面の中に全ての面を有する格子から選択される、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光導波路。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５１】
さらに、請求項における特徴の順序は、それらの特徴が実行されなければならない特定の順序を暗示するものではなく、特に、方法の請求項における個々のステップの順序は、それらステップがこの順序で実行されなければならないことを暗示しない。むしろ、ステップは任意の適切な順序で実行されてよい。加えて、単数形の参照は複数を除外しない。従って、「ａ」、「ａｎ」、「第１の」、「第２の」等への言及は、複数を排除しない。特許請求の範囲において、用語「備える（comprising）」または「含む（including）」の用語は、他の要素の存在を除外しない。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
ヘッドアップディスプレイのための光導波路であって、
前記光導波路は、二次元の瞳拡張を提供するように構成され、
入力端と出力端を有する主導波路と、
前記入力端と前記出力端との間の主導波路の面上に位置付けられた二次的な導波路であって、主導波路と二次的な導波路との間に境界面があり、主導波路の屈折率が、二次的な導波路の屈折率よりも小さい、二次的な導波路と、
二次的な導波路の面上の主回折格子であって、その面は、主導波路との境界面に平行で反対側にある、主回折格子と、を備える、光導波路。
［Ｃ２］
さらに、前記主導波路と前記二次的な導波路との間に光学的なコーティングを備える、［Ｃ１］に記載の光導波路。
［Ｃ３］
主回折格子の複数の線は、前記光導波路の前記入力端から前記出力端までの軸と平行である、［Ｃ１］または［Ｃ２］に記載の光導波路。
［Ｃ４］
前記主回折格子は、入射する光の少なくとも一部を、前記入力端から前記出力端までの軸とほぼ直交する方向に回折する、［Ｃ１］ないし［Ｃ３］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ５］
さらに、入力部を備え、
前記主導波路の、および、前記二次的な導波路の導波路と空気との境界面における内部全反射によって案内されるように、前記入力部が、光を前記主導波路内に結合するよう構成される、［Ｃ１］ないし［Ｃ４］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ６］
さらに、前記光導波路の前記出力端における出力部を備え、
前記出力部は、主導波路において伝播する光を、前記光導波路から外に、前記光導波路の出力瞳に向けるように構成される、［Ｃ１］ないし［Ｃ５］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ７］
前記入力部は、内部全反射によって光を反射する前記主導波路の面を備え、
前記出力部は、前記入力部を形成する前記主導波路の面に平行な面で部分的に反射するミラーを備える［Ｃ５］および［Ｃ６］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ８］
前記出力部は、複数の部分的に反射するミラーを備え、
各ミラーは、前記入力部を形成する前記主導波路の前記面に平行な面にある、［Ｃ７］に記載の光導波路。
［Ｃ９］
前記入力部は入力回折格子を備え、
前記出力部は出力回折格子を備える、［Ｃ５］および［Ｃ６］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ１０］
前記主回折格子は、少なくとも零次と一次の回折次数に入射光を回折し、
前記境界面は、前記零次の回折の光が前記境界面を通り抜ける一方で、前記一次の回折に回折された光が前記境界面において内部全反射によって反射されるように構成される、［Ｃ１］ないし［Ｃ９］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ１１］
前記主回折格子は、少なくとも、零次、および、２つの一次の回折次数に入射光を回折し、
前記２つの一次の回折は、前記入力端から前記出力端までの軸に対して反対の横方向に、前記二次的な導波路を横切り、
前記境界面は、前記零次の回折次数の光が前記境界面を通り抜ける一方で、前記一次の回折次数に回折された光が前記境界面において内部全反射によって反射されるように構成される、［Ｃ１］ないし［Ｃ９］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ１２］
前記主回折格子は、少なくとも、零次、２つの一次、三次の回折次数に入射光を回折し、
前記境界面は、前記零次の回折次数の光が前記境界面を通り抜ける一方で、前記一次と三次の回折次数に回折された光が前記境界面において内部全反射によって反射されるように構成される、［Ｃ１］ないし［Ｃ９］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ１３］
フリンジプロファイルが、堆積された材料の間の距離が堆積された前記材料の幅と実質的に同じである、実質的に矩形であるように、前記主回折格子が、前記二次的な導波路上に堆積された材料から作られる、［Ｃ１］ないし［Ｃ１２］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ１４］
前記主回折格子は、
フリンジプロファイルが、堆積された材料の間の距離が、堆積された前記材料の幅とは実質的に異なる、実質的に矩形であるように、前記主回折格子が、前記二次的な導波路上に堆積された材料から作られる、［Ｃ１］ないし［Ｃ１２］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ１５］
前記主回折格子は、各層が、異なる幅、材料の間の異なる間隙を有するように、複数の層に堆積された材料から作られ、
前記層のそれより下の前記層への整列は、前記層のプロファイルの中心を、それより下の前記層のプロファイルの中心に対してオフセットする、［Ｃ１］ないし［Ｃ１２］のいずれか一項記載の光導波路。
［Ｃ１６］
前記主回折格子は、フォトレジストとして前記二次的な導波路上に堆積された材料から作られ、露光の手段によりフリンジプロファイルに加工される、［Ｃ１］ないし［Ｃ１２］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ１７］
前記主回折格子のフリンジプロファイルの深さは、回折される次数における光の量を変化させるために、前記主回折格子の開口部にわたって変化する、［Ｃ１］ないし［Ｃ１６］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ１８］
前記二次的な導波路における光路は、全てではない回折された光線が、内部全反射によって捕らえられるように、前記二次的な導波路の帯域幅が増加されるように設計され、捕らえられない回折された当該光線が、前記光線が射出瞳から外れるような角度で前記光導波路を出るように構成される、［Ｃ１］ないし［Ｃ１７］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ１９］
前記主導波路および前記二次的な導波路の間の境界面は、内部全反射されない光線のために当該境界面の反射を増大させるコーティングで被覆される、［Ｃ１８］に記載の光導波路。 
［Ｃ２０］
前記主回折格子に入射する光の全てではないが大半が、一次の回折次数の１つに回折されるように、前記主回折格子のフリンジプロファイルが、ほぼ、溝の断面を鋸歯の形状にされる、［Ｃ１］ないし［Ｃ１２］、および、［Ｃ１５］ないし［Ｃ１７］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ２１］
前記主回折格子に入射する光の全てではないが大半が、零次の回折次数と前記一次の回折次数の１つの組み合わせに回折されるように、前記主回折格子のフリンジプロファイルが、ほぼ、溝の断面を鋸歯の形状にされる、［Ｃ２０］に記載の光導波路。
［Ｃ２２］
前記二次的な導波路内を伝播する光線のための境界面の臨界角は、約５５．２５度である、［Ｃ１］ないし［Ｃ２１］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ２３］
前記主導波路の屈折率は、約１．５２である、［Ｃ１］ないし［Ｃ２２］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ２４］
前記二次的な導波路の屈折率は、約１．８５である、［Ｃ１］ないし［Ｃ２３］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ２５］
前記境界面が部分的な反射性をもつ、［Ｃ１］ないし［Ｃ２４］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ２６］
前記主回折格子は、溝の断面形状が鋸歯の形状であるブレーズド格子ではない、［Ｃ１］ないし［Ｃ１２］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ２７］
前記主回折格子が、ひとつより多くの回折次数に光を回折するように構成される、［Ｃ１］ないし［Ｃ２６］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ２８］
前記主回折格子は、バイナリ回折格子、対称三角形格子、正弦格子、第１の面と第２の面がお互いに垂直である、前記第１の面または前記第２の面の中に全ての面を有する格子から選択される、［Ｃ１］ないし［Ｃ１２］のいずれか一項に記載の光導波路。
［Ｃ２９］
前記主回折格子は、フォトリソグラフィを用いて形成される、［Ｃ１］ないし［Ｃ２８］のいずれか一項に記載の光導波路。
【国際調査報告】
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